Текст книги "Машина-двигатель
От водяного колеса до атомного двигателя"

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 16 страниц)

Отпадающие двигатели

Еще Циолковский подсчитал: для того, чтобы ракета смогла преодолеть земное притяжение и улететь в мировое пространство, она должна подняться с Земли со скоростью не менее чем 11,2 километра в секунду. Значит, для межпланетного корабля должен быть построен такой двигатель, который способен был бы разогнать ракету вскоре после взлета до такой огромной скорости. Правда, если взлет ракеты в мировое пространство производить не с Земли, а с какого-то промежуточного спутника Земли, то двигатель сможет развивать меньшие мощности, а ракета полетит с меньшей начальной скоростью.

Сейчас ученые работают и над созданием межпланетных ракет, поднимающихся с Земли, и над созданием искусственных спутников Земли.

Оказывается, что для того, чтобы ракета могла подняться с Земли с нужной скоростью, пролететь далее по заданному маршруту и вновь вернуться на Землю, она должна запастись огромным количеством топлива. Так, для полета на Луну требуется, чтобы вес заправленной топливом ракеты был почти в 40 раз больше веса незаправленной ракеты.

Пока не удалось найти такого топлива, чтобы можно было развивать нужную мощность двигателя при малом потреблении этого топлива и снизить соотношение между нужными запасами горючего и весом ракеты.

Обычные современные виды топлива выделяют при сгорании сравнительно мало тепла, отчего приходится сжигать большие количества топлива.

Мы уже знаем, что Цандер предложил двигатель, сам себя съедающий, то есть облегчающийся по мере полета, использующий для топлива металлические конструкции.

Аналогичную цель преследует и способ создания «составных ракет», предложенный еще Циолковским. Представьте себе поставленные столбиком два или три ракетных двигателя. Они связаны между собой. При подъеме с Земли запускается нижний двигатель. Выработав свое горючее и развив известную скорость полета, этот первый двигатель выключается и отпадает, отделяется от ракеты. Ракета стала легче. Она уже успела подняться на значительную высоту и набрать какую-то скорость. Тут ее подхватывает и разгоняет с еще большей скоростью второй двигатель, и так далее.

Считается, что более трех двигателей нецелесообразно связывать в одну ракету.

Для межпланетных полетов составные ракеты не очень удобны. Было бы, вероятно, удобнее использовать другое предложение Циолковского – создавать искусственны спутники Земли – своеобразные летающие вокзалы для отправления межпланетных снарядов.

Подготовка к созданию таких «вокзалов» уже приняла практический характер. В 1957 году, как объявили американцы, ими с Земли запускается первый искусственный спутник. Это пока будет небольшой шар весом в 10 килограммов, с диаметром около 60 сантиметров. Половина его веса придется на металлическую оболочку, а вторая половина – на приборы, которые будут регистрировать данные о верхних слоях атмосферы. Все результаты измерений будут поступать на Землю в виде радиосигналов.

Спутник поднимется с Земли с помощью трехступенчатой ракеты, то есть с тремя отпадающими двигателями. Когда отделится последний двигатель, спутник будет обращаться вокруг Земли по эллиптической орбите на расстояниях от 320 до 1300 километров от Земли. В течение суток спутник будет совершать примерно 16 оборотов вокруг земного шара.

Итак, практическое осуществление межпланетных полетов сейчас зависит главным образом от того, как скоро удастся найти такое «концентрированное» топливо, которое занимало бы мало места и могло бы обеспечить энергией весь космический рейс.

С неба на землю

До сих пор, говоря о ракетном двигателе, вспоминая работы Кибальчича и Циолковского, мы связывали этот двигатель с кораблем межпланетных путешествий.

Попробуем спуститься теперь от неизведанных и далеких космических просторов на нашу знакомую и близкую Землю. Посмотрим, нельзя ли и для менее грандиозных задач использовать реактивный двигатель.

…В июне 1941 года гитлеровские полчища двинулись на мирные советские города и села. Накопив много технических средств войны – танков, самолетов, артиллерии, – фашисты быстро продвигались вглубь Советского Союза, сея вокруг смерть и опустошение. В августе 1941 года гитлеровские дивизии уже были под городом Смоленском… Еще рывок, – думали фашистские генералы, – и вдоль улиц Москвы прогарцует белый конь победителя.

Но советский народ сумел мобилизовать свои силы, с каждым днем всё увеличивая и увеличивая мощь отпора.

Первый неожиданный «сюрприз» Советская Армия преподнесла фашистам как раз под Смоленском…

Однажды ничего не подозревавшие передовые части врага, полные уверенности в легкой победе, вдруг оказались засыпанными небывалым количеством смертоносных снарядов. Это были удивительные, невиданные снаряды: с огромной скоростью они прилетали откуда-то с неба, волоча за собой по небу огненный хвост. Их было так много, ложились они так часто, что огромная площадь, на которую они падали, буквально выжигалась. Фашисты оцепенели. Солдаты, орудия, танки – всё попадало под огневой ураган. Но не только сила огня испугала вражеских солдат – их испугало загадочное происхождение и странный вид снарядов…

Так гитлеровцы впервые познакомились с новым советским оружием – реактивной артиллерией, с русскими «катюшами», как любовно были названы советскими бойцами эти гвардейские реактивные минометы.

Гвардейские реактивные минометы в действии.

Вы, наверно, видели – ну, хотя бы в кино или на картинке – эти «катюши». На обычной грузовой автомашине ставятся несколько направляющих лотков – это реактивные «пушки». Они легкие, многоствольные. Быстро переезжая с места на место, посылая сразу несколько снарядов, они представляют собой весьма опасное оружие для врага.

Этой подвижностью и легкостью они обязаны снарядам, которые движутся не от силы порохового взрыва, как в обычной пушке, а от порохового реактивного двигателя, помещающегося в каждом снаряде.

Вот вам и пример наземного использования реактивного двигателя.

Другой пример – салютная или сигнальная ракета, о которой мы уже говорили.

Приведем еще несколько примеров.

Наши ученые много работают над исследованием верхних слоев атмосферы – стратосферы. Туда поднимались советские стратостаты. Но еще выше стратостатов могут подняться специальные ракеты. Их поднимает жидкостно-реактивный двигатель. Они летят без людей, с автоматически действующими записывающими приборами, и, вернувшись на землю, доставляют записи ученым.

Подготовка к старту стратосферной ракеты.

Взлететь в воздух самолету не так-то уж легко, как это кажется. Ему приходится делать большие разбеги по земле. Так, обычному истребителю требуется дорожка для разбега в полкилометра, среднему бомбардировщику – в километр, тяжелой «летающей крепости» и нескольких километров бывает мало. Представляете себе, какие огромные площади должен занимать аэродром, предназначенный для таких самолетов! А какие трудности возникают в боевой обстановке при подготовке этих огромных площадей! Порой их вообще немыслимо разыскать.

Вот для того, чтобы ускорить подъем самолета, приходит на помощь ракетный двигатель-ускоритель. К самолету прикрепляются пороховые или жидкостные ракеты. По сигналу старта они поджигаются и за несколько секунд развивают большую дополнительную тягу, помогающую самолету значительно быстрее набрать взлетную скорость. Как только самолет поднимется в воздух, отработавшие ракеты отцепляются и падают на парашютах вниз. Затем их можно зарядить и использовать для нового разбега.

А можно ли использовать реактивный двигатель для наземного транспорта, для автомобилей например?

Уже давно, в 1686 году, был предложен паровой автомобиль. Считают, что автором этого проекта был знаменитый английский ученый Исаак Ньютон.

Автомобиль этот должен был двигаться за счет силы реакции струи пара, которая непрерывно вылетала из парового котла.

Паровой автомобиль, предложенный Ньютоном.

В 1886 году русский изобретатель Гешвенд предлагал использовать реактивную силу пара для движения железнодорожных поездов.

В середине прошлого века по каналам Мариинской системы ходили реактивные суда. Вода накачивалась в цистерны носовой части и выливалась наружу через трубы кормовой части.

Сила реакции вытекающей струи толкала судно. Судам этим дали очень меткое прозвище – «водоплевы». Заметим, что и в наше время такие реактивные суда строят и они используются для плавания по мелким рекам. Дело в том, что для винтовых судов требуется глубокая осадка, чтобы весь винт был покрыт водой, а реактивные суда могут плавать и при малых погружениях. Правда, следует отметить, что здесь реактивный принцип используется лишь для создания силы тяги судна; необходимая же энергия получается от теплового двигателя, вращающего насос, нагнетающий воду.

В 1928 году немецкий автомобильный фабрикант Опель провел испытание своего автомобиля, к которому с помощью простых деревянных приспособлений были прикреплены две пороховые ракеты. После воспламенения ракет автомобиль рванулся с места, прошел со скоростью 5–6 километров в час 150 метров и остановился. Позднее Опель испытал автомобиль с 24 ракетами. При этом скорость достигала 120 километров в час, но при рывке водитель испытывал болезненные ощущения. Тот же Опель пытался применить пороховые ракеты и для железнодорожных дрезин и для мотолодок. Тут не обошлось дело без катастроф. Одна из дрезин сошла с рельсов и была разрушена, а лодка от взрыва затонула, и Опелю пришлось спасаться вплавь.

В том же 1928 году два латвийских студента приспособили ракеты к своим велосипедам и проехали около полукилометра.

Реактивный велосипед.

Из всех этих опытов выяснилось, что при скоростях до 200 километров в час полезно используется только 2–3 % энергии ракет, то есть для таких условий это был самый невыгодный двигатель.

С тех пор помыслы инженеров и изобретателей обратились к той области использования реактивного двигателя, где можно достигать больших скоростей, – к авиации.

И снова в небо

И, следуя далее по пути продвижения в жизнь реактивного двигателя, мы вынуждены вновь обратить свое внимание к небу…

Уж если говорить о больших скоростях, так вот там-то им и место. И вовсе не обязательно летать в космическую, безбрежную даль – к Луне, к звездам. Можно и даже нужно летать с большими скоростями по воздуху над землей, так сказать в ближнем небе.

Мы знаем, что самым скорым видом сообщения стал самолет. До войны самолеты оборудовались мощными поршневыми двигателями внутреннего сгорания и могли уже развивать огромные скорости полета. В 1934 году рекорд скорости был равен 709 километрам в час. Такой самолет от Ленинграда до Москвы мог пролететь за 56 минут, в то время как курьерский поезд этот же путь проходит за 10–12 часов, а автомобиль, мчащийся на предельной скорости, за 6–7 часов.

В 1939 году рекорд авиационных скоростей еще немного повысился, он стал равен 755 километрам в час. Дальнейшее увеличение скорости самолета с поршневым двигателем, как показали расчеты, сопряжено с весьма значительным увеличением мощности такого двигателя. А вместе с ростом мощности, как известно, возрастают и размеры и вес двигателя, и установка его на самолете становится немыслимой.

Большие же мощности необходимы, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, очень сильное на больших скоростях. Надо заметить, что и винт, которым самолет врезается в воздух и тем самым совершает движение, на очень больших скоростях работает плохо и иногда просто замедляет движение.

Вот почему авиаконструкторы решили попытаться достичь больших скоростей с помощью другого двигателя – реактивного, который, как нам уже известно, именно в этом случае может оказаться наиболее удачным, тем более, что для движения реактивного самолета не потребуется применения винта.

«Неужели конструкторы решили поставить на самолет пороховой ракетный двигатель?» – спросите вы.

Конечно, нет. Мы же знаем, что для длительных полетов пороховой двигатель не пригоден.

«Ну, тогда, значит, жидкостно-реактивный?»

Да, но не совсем такой, как для межпланетных ракет. Вы помните, Циолковский предложил сжигать жидкое топливо в атмосфере чистого кислорода. И топливо и кислород должны при этом храниться в баках на борту ракетоплана. Но какой же смысл хранить кислород в баках самолета, если самолет всё время летит по воздуху, а в воздухе содержится кислород? За атмосферой Земли, где-нибудь в межпланетном пространстве, там дело другое, там кислорода взять негде. А тут – пусть двигатель «дышит» воздухом, берет кислород из-за борта. Зато в баки можно запасти побольше топлива и пролетать большие расстояния без заправки горючим.

Так появилась идея применения воздушно-реактивного двигателя.

Простейший воздушно-реактивный двигатель может быть построен сравнительно легко.

Посмотрите его схему. Он похож на яйцо, у которого аккуратно срезали обе верхушки.

Схема воздушно-реактивного двигателя.

Вот если самолет с такой трубкой заставить лететь, то через переднее отверстие внутрь трубки начнет врываться воздух. Здесь в воздушный поток будет впрыскиваться через форсунки жидкое топливо и, подожженное электрической искрой, сгорать. От выделяемого тепла поднимется температура, а значит, – и давление газов. Газы будут стремиться вырваться через оба отверстия – переднее и заднее, но спереди они столкнутся с большим противодавлением набегающего воздушного потока, а сзади сопротивление окажется совсем малым.

Тогда всё содержимое камеры сгорания и устремится назад, толкая трубку-двигатель и весь самолет вперед. Описанный двигатель называется прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

Но вы уже, очевидно, сами догадались, что такой двигатель обладает большим недостатком, – для того, чтобы он заработал, его надо как бы протащить сначала с большой скоростью по воздуху, то есть нужно на самолет ставить еще специальные разгоночные двигатели. Кроме того, этот двигатель для скоростей обычных полетов и неэкономичен. Вспомним недостаток первого двигателя внутреннего сгорания – двигателя Ленуара. Он обладал низким КПД потому, в частности, что работал без предварительного сжатия рабочего заряда. Подобное явление имеет место и в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Если скорость полета невелика, давление воздуха в камере сгорания оказывается тоже небольшим и тепло, выделяющееся при сгорании топлива, используется плохо.

Лишь на больших скоростях, близких к скорости звука, степень сжатия воздуха становится достаточной, чтобы работа двигателя оказалась экономичной.

Нам известно, что в дизеле термический коэффициент полезного действия выше, чем в карбюраторном двигателе. Там удается тот же весовой заряд воздуха предварительно сжать посильнее, отчего к моменту впрыска уже и температура в камере оказывается выше, чем в карбюраторном двигателе. И, когда сгорает порция топлива в цилиндре дизеля, там температура поднимается выше, чем в цилиндре карбюраторного двигателя, а значит, – и давление газов на поршень оказывается большим.

Вот и для воздушно-реактивного двигателя было бы полезным воздух подавать под давлением, сжатым, – тогда и по весовому количеству его было бы достаточно, и по начальной температуре процесс сгорания был бы экономичней.

Представим, например, себе камеру сгорания не прямоточного двигателя, а другого, имеющего специальный компрессор. В камеру всё время нагнетается компрессором воздух. Там оказывается повышенное давление, и туда впрыскивается топливо. Горячие газы с большой скоростью вылетают в трубу, создавая реактивное усилие.

Но… не кажется ли вам, что здесь что-то уже знакомо? Да и в самом деле, ведь если на пути струи газа поставить колесо с лопатками, мы получим уже знакомый нам двигатель – газовую турбину.

Вот мы и пришли к неожиданному выводу, что реактивный двигатель и газовая турбина имеют один и тот же принцип сгорания топлива и можно создать двигатель комбинированный – газотурбореактивный.

Именно по такому пути и пошли конструкторы современных реактивных самолетов.

Воздух у реактивных самолетов поступает сначала в компрессор. Но компрессор здесь не обычный, поршневой, а центробежный. В поршневом компрессоре воздух сжимается поршнем и затем выталкивается через клапаны. Здесь же воздух сжимается, отбрасываемый к стенкам корпуса лопатками, которые закреплены на вращающемся роторе. Вращать ротор приходится с помощью посторонней энергии.

Эта «посторонняя» энергия, необходимая для вращения компрессора, и получается с помощью газотурбинного колеса. Действительно, выйдя из компрессора, воздух попадает в камеры сгорания (их несколько) уже под повышенным давлением. Сюда через особые форсунки подается жидкое топливо. Происходит сгорание. Горячие газы с большой скоростью устремляются на колесо газовой турбины, отдают ей часть своей энергии, затем устремляются в реактивное сопло и, здесь еще больше увеличив свою скорость, вылетают наружу. Самолет с таким двигателем винта не имеет и летит только за счет реактивного действия газовой струи. Турбина же нужна здесь только для того, чтобы вращать компрессор.

Но как же такой двигатель запустить? Неужто приходится разгонять самолет ускорительными ракетами? Нет, если имеется компрессор, можно заставить двигатель работать не только в полете, но и на месте. Для этого надо иметь на борту самолета небольшой поршневой двигатель внутреннего сгорания или электромотор, вал которых следует связать с валом компрессора. И, как только заработает вспомогательный двигатель, как только начнет вращаться ротор компрессора, воздух начнет подаваться в камеры сгорания. Остается включить топливо и поджечь его. Дальше всё пойдет, как полагается, – заработает газовая турбина, появится реактивная сила, и вспомогательный двигатель можно отключать.

Но реактивный самолетный двигатель, как мы хорошо знаем, становится выгодным только на больших скоростях полета. Не всегда же приходится развивать самолету скорости, близкие к скоростям звука. Ведь для обычных полетов можно обойтись и меньшими скоростями.

Но тогда надо, отказавшись от реактивного, для малых скоростей применять другой тепловой двигатель, с винтом, как это и раньше практиковалось.

Да, но раньше таким двигателем был двигатель поршневой, сначала бензиновый, а потом дизель, а теперь, коль скоро всё равно авиация использует газовую турбину, – нельзя ли ее-то и нагрузить винтом?

Конечно, можно.

И вот появился новый современный авиационный двигатель – газотурбореактивный винтовой.

Он очень напоминает только что нами рассмотренный газотурбореактивный двигатель. Разница лишь в том, что на одном валу с турбиной теперь крепится не только ротор компрессора, но и винт самолета. Кроме того, и сама турбина здесь отличается тем, что она забирает от газового потока больше энергии, – так уж рассчитано и изготовлено ее колесо с лопатками.

Такой двигатель очень удобен для самолета. Он обладает малым весом, не требует высокосортного горючего, развивает большую мощность – до 6–7 тысяч лошадиных сил и, главное, на малых скоростях экономично работает с винтом, а на больших можно винт остановить, и двигатель, став просто реактивным, начнет опять экономично работать.

Авиационный турбореактивный двигатель. В верхней части рисунка изображен двигатель с вырезанными стенками. Внизу – возможная схема его расположения на самолете.

Знакомясь с газовой турбиной, мы выяснили, что для лучшего использования тепла перед турбиной следует поддерживать высокую температуру газов. В авиационных турбинах, от которых не требуется такой же долгой жизни, как от стационарных турбин, эту температуру сейчас доводят до 750–900 °C.

А для очень больших скоростей полета выгодно применять прямоточный двигатель, где турбины нет и, следовательно, допустимая температура перед реактивным соплом практически не ограничена.

Так вошел в жизнь и уверенно продолжает шествовать новый авиационный газотурбореактивный двигатель.

Сейчас уже из многих областей авиации полностью вытеснен поршневой мотор, а скорости, которые достигаются реактивными самолетами, почти вдвое выше рекордных скоростей винтовых самолетов. Эти новые скорости приблизились к скорости звука, которая равна 1228 километрам в час, а в некоторых случаях ее превзошли. Вот и считайте, сколько займет времени перелет из Ленинграда в Москву на таком самолете!

До самого последнего времени реактивными двигателями снабжались только военные самолеты. Делались попытки строить и крупные реактивные пассажирские самолеты.

Так, в Англии был испытан реактивный пассажирский самолет «Комет-4». Однако первый опыт окончился неудачно. Конструкция этого многомоторного самолета оказалась ненадежной, самолет потерпел аварию.

Но вот, в пятницу 23 марта 1956 года на Лондонском аэродроме сделал посадку огромный самолет-красавец, рассчитанный на перевозку пятидесяти пассажиров. Это был советский реактивный пассажирский самолет «ТУ-104».

Советский пассажирский реактивный самолет «ТУ-104».

Появление такого самолета в Лондоне произвело сильное впечатление. Английская газета «Дейли Мейл» писала: «Это самолет, который предоставляет России ведущее место в области гражданской авиации… Что касается нас, то здесь пассажирские реактивные самолеты не появятся ранее 1959 года, а у американцев, вероятно, – ранее 1960 года или даже позже».

Так силами советских авиаконструкторов одержана еще одна победа – создан первый в мире пассажирский реактивный самолет. «ТУ-104» имеет два двигателя, расположенные в крыльях. Самолет может лететь со скоростью 800 километров в час на высоте 10 000 километров. Расстояние от Москвы до Лондона он преодолевает всего за 3–3,5 часа.

Наша промышленность уже приступила к серийному выпуску таких самолетов, которые помогут приблизить к Москве самые дальние углы необъятной советской страны. Такой самолет сможет пролететь без посадки 3000–3200 километров и за 10 часов преодолеть расстояние от Москвы до Хабаровска.

Так реактивный двигатель нашел свое прочное место в авиации, являясь двигателем, предназначенным для больших скоростей.